Nové cíle v energetickém využití biomasy a příprava high-technologií k jejich zabezpečování

Anotace

Připravovaný národní program využití obnovitelných zdrojů energie přináší i nové cíle energetického využití biomasy do r. 2010. V cílovém období bude třeba zabezpečit 83 PJ . r^-1 energie z biomasy a to ve struktuře 67 PJ . r^-1 teplo, 7 PJ . r^-1 (1960 GWh) elektrické energie a 9 PJ . r^-1 motorová biopaliva. Pro naplnění těchto cílů bude nutné iniciovat výzkum a vývoj nových technologií.

Jednu z předpokládaných nových technologií bude výroba bioetanolu z lignocelulózových substrátů a odpadů, která zlevní výrobu bioetanolu využíváním levných surovin, slámy, drceného odpadu a j. Jde o tlakovou hydrolýzu (0,4 - 2,85) při teplotě 140 - 230°C s předpokládanou 70 - 80% výtěžností hemicelulózových cukrů z celkového vstupu hemicelulóz a 50 - 75% výtěžností glukózy z celkového vstupu celulózy. Technologie předpokládá úplné odštěpení ligninu od celulózy. Problémem řešení je efektivní separace roztoků cukrů a zbytkové tuhé fáze a zintenzivnění fermentace, separace kvasinek, destilace a rektifikace.

Další technologií přípravy biopaliv je rychlá pyrolýza biomasy při teplotě 450 - 600°C s dobou setrvání biomasy v reakční zóně do 2 sec a s rychlým ochlazením par a aerosolů na kondenzát o výhřevnosti 16 - 22 MJ/kg, který je možno dále upravovat na motorové biopalivo.

Pozornost je třeba věnovat i využití rostlinných olejů v upravených motorech a tyto technologie, které jsou běžné ve státech EU rozšiřovat zejména na venkově.

Je třeba iniciovat výzkumné projekty pro šlechtění energetických rostlin na stabilní vysoký výnos a to s využitím biotechnologických přístupů.

---

V současné době se připravuje národní program hospodárného nakládání s energií a využití obnovitelných a druhotných zdrojů energie. Tento program je naplněním zákona č. 406/2000 Sb. a širší vazby tohoto programu implementují rámcovou úmluvu OSN o změně klimatu a Agendu 21. Připravovaná studie tohoto programu bilancuje stávající využití potenciálu obnovitelných energií. Hodnoty uváděné pro energii z biomasy svědčí o tom, že energie z biomasy se uplatňuje ze všech obnovitelných energií v České republice nejvíce. Studie konstatuje instalaci 40 tisíc topenišť do 50 kW (dle našich odhadů je jich patrně ještě více), 430 kotelen nad 200 kW, 60 obecních kotelen do 500 kW a 17 výtopen na biomasu nad 500 kW. Dále se konstatuje provoz 10 bioplynových stanic, z toho 7 vybavených kogeneračními jednotkami. Ročně je přímo spalováno 1,8 mil. t sušiny biomasy a dalších 140 000 t fytomasy je zpracováváno do pelet a briket (z toho jde cca 80% na export do zahraničí). K tuhým fytopalivům je třeba připočítat roční výrobu 67 245 t metylesteru řepkového oleje (bionafta) a 1140 l bioetanolu a 4,5 mil m3 bioplynu. Celková energie z biomasy je ohodnocena 36 PJ . r^-1. Energetické využití biomasy je tedy expandující činností, vždyť před 3 roky CZ BIOM evidoval aktivity v biomase ve výši 19,5 PJ . r^-1.

Studie národního programu uvažuje o zvýšení cílových hodnot obnovitelných energií pro rok 2010 z 62,9 PJ . r^-1 na 97 PJ . r^-1. Úkol v energetickém využití biomasy se zvyšuje z 51 PJ . r^-1 na 83 PJ . r^-1 a to ve struktuře 67 PJ . r^-1 teplo, 7 PJ . r^-1 (1960 GWh) elektrická energie a 9 PJ . r^-1 motorová biopaliva. Rovněž ostatní segmenty obnovitelných energií mají navýšené cíle. Solární energie z 0,5 na 2 PJ . r^-1 , geotermální energie z 1,0 na 3 PJ . r^-1 a větrná energie z 0,2 na 4 PJ . r^-1 .

Tyto cíle budou podporovány investičními dotacemi ze státního rozpočtu. V letech 2002 - 2004 se uvažuje ve veřejném sektoru s roční podporou energetického využití biomasy 137 mil. Kč, což neodpovídá významu biomasy ve srovnání s ostatními segmenty obnovitelných energií. Roční příspěvek na solární panely bude 497 mil. Kč, na fotovoltaiku 56 mil. Kč, na větrnou energetiku 647 mil. Kč a na vodní energetiku 497 mil. Kč. Energie z biomasy je rozhodujícím segmentem obnovitelných energií, z hlediska státní podpory na jednotku instalovaných výkonů však stojí na posledním místě.

S ohledem na nové cílové hodnoty v energetickém využití biomasy, a to především při výrobě elektrického proudu a motorových biopaliv bude nutné iniciovat výzkum a vývoj v nových technologiích (high-technologiích). Některé tyto technologie jsou již řešeny jako výzkumné projekty:

Výroba bioetanolu z lignocelulozových substrátů a odpadů

V současné době je bioetanol vyráběn pouze z lihových plodin. Energetická náročnost agroalkoholů je vysoká, zejména z důvodů energetických vstupů při pěstování plodin, které jsou zdrojem cukernatých nebo škrobnatých surovin. I když zahrneme k energii bioetanolu získaného klasickým postupem energii vedlejších produktů, je vztah output : input cca 1,3 - 1,5 : 1. Výrobní náklady bioetanolu vyrobeného klasickým způsobem jsou 3 x vyšší než výrobní náklady konvenčních motorových paliv, což brání otevření trhu s bioetanolem.

Bioetanol je možno vyrábět ekonomicky a energeticky efektivnějším alkoholovým kvašením hemicelulózových a celulózových cukrů z obnovitelné lignocelulózové suroviny ze zemědělství lesnické výroby a z odpadů dřevařského průmyslu.

Projekt řešený ve VÚRV Praha - Ruzyně se zabývá vývojem kontinuální hydrolýzy lignocelulózových substrátů (slámy, dřevního odpadu, různých sklizňových zbytků a pod) a předpokládá dosažení 70 - 80% výtěžnosti hemicelulózových cukrů z celkového vstupu hemicelulózy a 50 - 75% výtěžnosti glukózy a celkového vstupu celulózy. Předpokladem této výtěžnosti je úplné odštěpení ligninu od celulózy termicko tlakovou hydrolýzou. Budované prototypové zařízení s hodinovým výkonem 20 - 30 kg lignocelulózové fytomasy umožní stanovit optimální parametry hydrolýzy při které se dosáhne nejvyšší produkce cukrů a nedojde k degradaci xylózy a glukózy. Při připravovaných experimentech s hydrolýzou slámy obilnin a olejnin uvažujeme s teplotami 140 - 230°C, s tlakem 0,4 - 2,85 MPa a se zdržením 10 - 17 minut. U zkoušek s kratší dobou zdržení uvažujeme s vratkou odštěpené celulózy nepřeměněné na glukózu na počátek hydrolýzního procesu. Ve výzkumném projektu je třeba řešit řadu technologicko technických problémů jako je úprava vstupních surovin, separaci roztoků cukrů a zbytkové tuhé fáze a proti stávajícím technologiím výroby agroalkoholů zefektivnit fermentaci, separaci kvasinek, destilaci a rektifikaci.

Cílem projektů je podstatné snížení ceny bioetanolu a snížení celkových energetických vstupů při jeho výrobě. Technologie bude produkovat kromě bioetanolu řadu vedlejších výrobků (podle poptávky), zejména čistý práškový lignin, fural, kyselinu octovou, metanol a krmné kvasnice.

Výroby tekutých biopaliv rychlou pyrolýzou

Zplynování biomasy se dnes provádí za účelem získání topného plynu o výhřevnosti 4 - 6 kJ . m^-3, s obsahem oxidu uhelnatého, uhličitého, vodíku, metanu, dusíku a uhlovodíků. Tento plyn je přímo použitelný pro spalování v kotlových hořácích, po vyčištění též ve spalovacích turbinách a v upravených spalovacích motorech. Zplynování biomasy probíhá s výhodou ve fluidních generátorech při teplotách 850 - 900°C. Provozovaná zařízení jsou zatím na úrovni pilotních projektů (Nová Ves, Skotnice) a výzkum v této oblasti je veden na vysokých školách.

Výzkumem a vývojem je však nedostatečně pokrytá termochemická přeměna biomasy tzv. rychlou pyrolýzou při atmosférickém tlaku a při středních teplotách v reaktoru 450 - 600°C s dobou setrvání biomasy v reakční zóně do 2 sekund. Hlavním produktem jsou páry a aerosoly, které po rychlém zchlazení kondenzují na kapalinu o výhřevnosti 16 - 22 MJ/kg, kterou je možno upravovat na motorové či jiné biopalivo.

Z celkových produktů rychlé pyrolýzy je možno získat 75% hm. kapalného biopaliva, 13% hm. hořlavého plynu a 12% hm. tuhé zkarbonizované biomasy. Tímto způsobem je možno zpracovávat i bioodpady. Pro omezení obsahu vody v biopalivu je nutné biomasu předsušit na 10 - 13% vlhkost. Rychlá pyrolýza biomasy se začíná uplatňovat v zahraničí a vzhledem k experimentálně jednoduché a flexibilní technologii doporučuji se zaměřit na projekty v této oblasti.

Rostlinné oleje jako motorové palivo

Výroba bionafty (MEŘO) si v České republice vydobyla své místo a stala se předmětem státní podpory. Jako motorové palivo je však v České republice zdaněna stejně, jako motorová nafta, na rozdíl od některých států EU, které biopaliva v směsných pohonných hmotách oddanily. Energetická bilance výroby MEŘO se zahrnutím energie řepkového šrotu a glycerínu představuje output : input 2,58 : 1. Poměrně vysoké energetické vstupy jsou v budovách a zařízeních a v energii metanolu (který je vyráběn z fosilních neobnovitelných zdrojů). Z energetického hlediska by bylo příznivější s menšími energetickými vklady upravit motory mobilních agregátů a automobilů pro pohon rostlinným olejem. Zde by bylo možno využít dlouhodobý vývoj a výzkum prováděný ve SRN včetně technického know-how a uplatnit jako je tomu u ostatních států EU speciální, především Elsbettovy motory umožňující spalování rostlinného oleje získaného studeným lisováním. Motory na rostlinné oleje produkuje nejen firma Elsbett - konstruktion, ale i známé motorové a automobilové firmy Daimler, MWW - Manheim, firma Eicher a Motorenbau Amberg. Na rostlinné oleje jezdí (bez silniční a spotřební daně) ve SRN traktory, osobní automobily, kamióny (a lodě). Dlouhodobým výzkumem bylo optimalizováno lisování oleje kontinuálně pracujícími lisy s předfiltrací tak, aby celkový obsah fosfátu v palivu byl minimální. Nevýhodou ve srovnání s využíváním MEŘO je vyšší cena motorů a nutnost duálního palivového systému pro startování. Výhodou provozovatele, který je zároveň pěstitelem olejnin, je jeho nezávislost na státu. Je třeba iniciovat, aby se tato technologie uplatnila i u nás a to zejména na našem venkově a to bez jakýchkoliv státních obstrukcí.

Výkonné odrůdy energetických plodin

V celkovém sortimentu energetických rostlin jsou u nás pouze rychle rostoucí dřeviny účelově šlechtěny pro fytoenergetiku. V zahraničí se pro fytoenergetické účely šlechtí jen energetické trávy. V řízeném procesu výroby energetické fytomasy představuje 98% energetického obsahu fytomasy energie slunečního záření, 2% představují další energetické vklady (hnojiva, paliva, lidská práce, energie ve strojích). Všeobecně je známo, že planě rostoucí rostliny využívají 0,1 - 0,2% sluneční energie a u zemědělských plodin je to maximálně 1% potenciálu slunečního záření. Při pěstování energetických rostlin považujeme za úspěšné hektarové výnosy 10 - 15 t sušiny fytomasy. Účelově prováděným šlechtěním na výnos by bylo možné vytvořit vysoce produktivní rostliny až s dvojnásobným výnosem. Bylo zjištěno, že výnos může být podstatně ovlivněn působením jednoho nebo několika málo genů, pokud tato manipulace zásadně mění habitus rostliny nebo ovlivňují důležité diferenciační nebo fyziologické funkce (zvyšuje potenciál fotosyntézy).

Při budoucím šlechtění energetických rostlin jde především o výnosovou stabilitu sušiny u šlechtěné odrůdy, tj. poskytování vysokých vyrovnaných výnosů v rámci agroekologických a klimatických podmínek svého areálu pěstování. Energetické rostliny musí kompenzovat chybějící dílčí výnosové prvky jinými a musí vykazovat toleranci nepříznivým činitelům. Předpokladem stabilních výnosů je i snížená fotoperiodická reakce umožňující široké geografické uplatnění. Voda je při pěstování celé řady energetických rostlin limitujícím faktorem a šlechtění energetických rostlin by mělo optimalizovat příjem a využití vody a zvýšit odolnost proti stresům. Předpokladem špičkových výnosů fytomasy je také postavení listů energetických rostlin, které by zabezpečilo co nejvyšší penetraci světla do spodních pater porostu. Všechny tyto vlastnosti jsou ovlivněny specifickými geny, ale nikdo se u energetických rostlin nezabývá vytvářením jejich úspěšných rekombinací.

Nejrychlejší cestou přípravy nových výkonných a odolných energetických rostlin je bezpochyby genetická modifikace odrůd, tj. využívání biotechnologie. Stávající odpor proti genetickým úpravám je namířen na rostliny, které se užívají jako potraviny nebo krmiva. Domnívám se, že tato oblast činnosti by byla pro pracoviště genetického inženýrství, která jsou omezována legislativou a požadavky ekologů značně atraktivní. Výzkum a šlechtění na úseku energetických rostlin je třeba urychleně iniciovat, neboť ze 40 - 50% je hlavním výnosovým faktorem genetický základ rostlinných organismů.

V zájmu uplatnění kvantitativních cílů energetického využití biomasy jsem uvedl několik neřešených technologií, kterým připisuji důležitost. Výčet technologií by bylo nutné doplnit o řešení reálných přístupů k výrobě biovodíku, dále k využívání palivových článků ve spojitosti s kogeneračním zplynováním biomasy a s využitím bioplynu. Pozornost ve výzkumu a vývoji je třeba věnovat i malým energetickým zařízením na biomasu pro rodinné domky a bytové domy, aby tato zařízení mohla poskytnout bezobslužný komfort, a tak úspěšně konkurovat zemnímu plynu. Je zapotřebí iniciovat vývoj kombinovaných systémů zejména biomasy se solární nebo geotermální energií.

Od národního programu využívání obnovitelných energií je třeba žádat vyšší posílení výzkumu a vývoje energetického využití biomasy poskytnutím finančních prostředků na výzkumné projekty.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost